Il catalogo di analizzatori di spettro e segnali di Rohde & Schwarz

Un analizzatore di spettro fa quello che il nome suggerisce: rileva i segnali presenti in una porzione selezionata dello spettro radioelettrico. La sua funzione di base consiste nel rappresentare i segnali in una visualizzazione grafica che riporta l'ampiezza - o il livello di potenza - sull'asse y, in funzione della frequenza riportata sull'asse x; le ampiezze dei segnali rilevati sono rappresentate nel dominio della frequenza. Un analizzatore di spettro RF copre le frequenze radio e le frequenze a microonde. La gamma di frequenza massima con preselezione attualmente disponibile va da 2 Hertz a 85 GHz; frequenze più alte sono possibili utilizzando dei mixer esterni. Di solito si utilizza una scala lineare per la frequenza sull'asse delle x, e una scala logaritmica o in decibel (anch'essa logaritmica), per l'ampiezza sull'asse delle y, in modo che segnali di ampiezza molto variabile possano essere visti allo stesso tempo. Gli analizzatori di spettro sono ampiamente utilizzati nei test RF per visualizzare non solo le proprietà dei segnali desiderati, ad esempio per verificare se un segnale sta occupando la larghezza di banda designata, ma anche per cercare i segnali indesiderati.

Per effettuare i test RF, un puro e semplice analizzatore di spettro per rilevare il livello dei segnali desiderati e indesiderati che visualizza le componenti spettrali in una gamma di frequenza non serve quasi più. La natura di molti segnali pulsati moderni, unita alla necessità di rilevare e studiare i segnali transitori, fanno sì che il classico analizzatore di spettro che utilizza lo stesso principio della supereterodina dei ricevitori radio non possa rilevare in modo affidabile tutti i segnali presenti in modo intermittente, come i transitori, o misurare la fase di un segnale. Dato che la gamma di frequenza di interesse (lo span di frequenza) supera la capacità dell'analizzatore di spettro di elaborare i dati simultaneamente, l'intervallo di frequenza viene scansionato (sweep) dal valore inferiore a quello superiore. Se un segnale transitorio a una determinata frequenza non è presente durante il momento di scansione di quelle determinata frequenza da parte dell'analizzatore, allora non viene rilevato.

L'elaborazione digitale che utilizza la trasformata veloce di Fourier (FFT) per convertire i segnali dal dominio del tempo al dominio della frequenza ha esteso notevolmente sia la capacità di rilevamento del segnale che quella di analisi dell'analizzatore di spettro a supereterodina. La funzione FFT offre una capacità di acquisizione e analisi molto più veloce dell'intervallo di frequenza: utilizzando il calcolo di più FFT in parallelo si ottiene una larghezza di banda istantanea più ampia in modo che, con filtri adeguati, permette di rilevare correttamente anche i segnali pulsati e transitori. Molti analizzatori di spettro offriranno anche la modalità zero span, per analizzare la fase e l'ampiezza di un segnale e demodulare il segnale alla frequenza selezionata. Oltre alla semplice rappresentazione su uno schermo dei segnali rilevati, è possibile effettuare misure di rumore, guadagno, fase, larghezza di banda occupata dal segnale e potenza nel canale adiacente. Il segnale digitale può essere esportato per la post-elaborazione da parte di strumenti software che forniscono analisi aggiuntive.

Un analizzatore di segnali, più correttamente definito analizzatore di segnali vettoriali (VSA), è utilizzato per demodulare e analizzare segnali con modulazione digitale complessa. Un VSA cattura i segnali ad una frequenza centrale fissa, utilizzando i filtri per impostare la larghezza di banda - o span - della visualizzazione dello spettro; un analizzatore di spettro spazia su una gamma più ampia di frequenze. Rispetto ad un analizzatore di spettro dedicato, un VSA aggiunge informazioni sulla fase, più ulteriori misure avanzate delle proprietà del segnale non ottenibili utilizzando l'analisi dello spettro, e utilizza l'elaborazione digitale per demodulare i segnali basati su componenti digitali di modulazione in fase (I) e in quadratura (Q). Un VSA analizza le caratteristiche del segnale come il rapporto segnale-rumore (o rapporto portante-rumore), il modulo del vettore errore (EVM) e la potenza nel dominio dei codici. È possibile misurare tutte le caratteristiche dei segnali pulsati o transitori, compresi tutti i valori di livello, frequenza, fase, rumore, guadagno, larghezza di banda del segnale occupato e potenza del canale adiacente.

Il livello di rumore e la larghezza di banda per gli strumenti di misura rappresentano invariabilmente un compromesso. Essendo un VSA centrato su una frequenza fissa, è sufficiente una larghezza di banda di analisi più stretta affinché un VSA ben progettato abbia un basso livello di rumore e un'eccellente sensibilità per rilevare segnali di basso livello.

La maggior parte dei VSA includerà anche una modalità di analisi dello spettro più adatta per il rilevamento di segnali (indesiderati), aumentando lo span del segnale catturato, ma riducendo le possibilità di demodulazione a AM, FM, o /фM.

La gamma di frequenza necessaria per un analizzatore di spettro dipenderà dall'applicazione, vale a dire dalle frequenze da studiare, sia per i segnali desiderati che per quelli indesiderati, e dallo scopo della rilevazione del segnale. Per il monitoraggio dello spettro, ad esempio, la gamma di frequenza deve solo comprendere le frequenze da monitorare. Per lo sviluppo dei dispositivi elettronici e le indagini EMI, molti standard richiedono misure delle emissioni spurie fino alla terza armonica della frequenza fondamentale; per un dispositivo che lavora nella banda ISM di 2,4 GHz, come una radio Wi-Fi o Bluetooth®, è richiesta una gamma di frequenza di almeno 7,2 GHz. Per certificare la conformità agli standard, in alcuni casi sono richieste emissioni spurie alla quinta armonica; per un dispositivo da 2,4 GHz è richiesta una gamma di frequenza di 12 GHz. Per i dispositivi 5G che lavorano nella banda n258 da 24,25 a 27,50 GHz, sono disponibili pochissimi analizzatori di spettro con la necessaria frequenza massima di 82,5 GHz. Molti organizzazioni che definiscono gli standard, come ETSI, ANSI o 3GPP, specificano limiti per le emissioni fuori banda, che sono molto più vicini alla frequenza fondamentale. In ogni caso, è bene controllare le norme che si applicano al dispositivo da verificare e, come regola generale, bisogna puntare a una frequenza massima che superi del 20% quella prevista.

In generale, la gamma dinamica descrive i valori massimi e minimi che uno strumento può misurare. Per un analizzatore di spettro progettato per rilevare diversi segnali contemporaneamente, con tale termine viene definita la capacità dell'analizzatore di rilevare un segnale debole in presenza di un segnale forte. La gamma dinamica di un analizzatore di spettro è definita come il rapporto, in dB, tra un segnale più grande e uno più piccolo al quale l'analizzatore di spettro può misurare, con una determinata accuratezza, il segnale più piccolo in presenza del più grande.

Essendo un analizzatore di spettro comunemente utilizzato per cercare emissioni spurie in presenza del segnale desiderato, la capacità dell'analizzatore di rilevare un segnale debole in presenza di un segnale forte rappresenta un criterio prestazionale fondamentale. La gamma massima del livello del segnale, il rumore di fondo, il rumore di fase e la risposta spuria dello strumento giocano, tutti, un ruolo importante nel determinare la gamma dinamica.

La gamma dinamica è limitata per il segnale più debole dal rumore intrinseco dell'analizzatore e per il segnale più forte dalle non linearità.

Il rumore intrinseco è specificato dal livello di rumore medio visualizzato (DANL) espresso in dBm e normalizzato ad una larghezza di banda di risoluzione di 1 Hz. Un preamplificatore riduce il DANL, il che aiuta a rilevare i segnali deboli ma, in realtà, riduce la gamma dinamica complessiva.

Le non linearità sono mostrate dal punto di compressione di 1 dB, dalla distorsione della seconda armonica e dalla TOI (intercetta del terzo ordine).

Per rumore di fase di una forma d'onda si intendono brevi, rapide fluttuazioni nella frequenza, viste su uno schermo analizzatore di spettro come sfocatura o judder della forma d'onda sul display. Il rumore di fase diffonde la potenza di un segnale sulle frequenze adiacenti, causando bande laterali di rumore, indebolendo la potenza del segnale utilizzabile e riducendo la qualità del segnale stesso. Un segnale debole può scomparire nel rumore di fase di un forte segnale adiacente.

Il rumore di fase nel dominio della frequenza corrisponde al jitter nel dominio del tempo; una fluttuazione in frequenza è anche una deviazione del fronte di un segnale nel tempo.

La causa del rumore di fase (e del jitter) è da ricercarsi nelle irregolarità delle prestazioni dell'oscillatore che definisce il clock della forma d'onda.

Un oscillatore ideale genererebbe un'onda sinusoidale pura; tutta la potenza del segnale è ad una sola frequenza. Tutti gli oscillatori reali, però, presentano instabilità che causano componenti di rumore modulate in fase. I componenti del rumore di fase diffondono la potenza di un segnale alle frequenze adiacenti. Il rumore di fase di un oscillatore comprende spesso rumore di sfarfallio (flicker) a bassa frequenza e può includere rumore bianco. Il rumore di fase descrive la stabilità di un oscillatore nel dominio della frequenza, mentre il jitter descrive la stabilità nel dominio del tempo.

Il rumore di fase può essere misurato utilizzando un analizzatore di spettro, purché il rumore di fase del dispositivo in prova sia grande rispetto al rumore di fase dell'oscillatore locale dell'analizzatore di spettro.

Il rumore di fase intrinseco dell'analizzatore di spettro limiterà la capacità di eseguire misure di rumore di fase e impatterà le misure di modulo del vettore errore (EVM) su segnali modulati digitalmente, specialmente per i segnali a banda stretta.

Alcuni analizzatori di spettro offriranno oscillatori opzionali con una maggiore accuratezza, ad un costo aggiuntivo, per migliorare la sensibilità delle misure del rumore di fase.

Non c'è una risposta "corretta" a questa domanda, il miglior analizzatore di spettro dipenderà dalle esigenze individuali. Le decisioni chiave riguarderanno la frequenza dei segnali da misurare, le loro caratteristiche, la tipologia di misure esattamente richiesta, il punto in cui i segnali devono essere misurati e il budget disponibile. La gamma di frequenza dell'analizzatore di spettro determinerà la frequenza minima e massima che può essere misurata. La velocità di misura, la larghezza di banda di analisi, il rumore di fase, la gamma dinamica e la sensibilità richiesti dipendono dai segnali da misurare e dall'accuratezza richiesta. Le capacità di analisi devono corrispondere alle esigenze individuali. Tra gli altri criteri figurano questioni come la trasportabilità e il peso, le opzioni previste per l'aggiunta di ulteriori prestazioni dopo l'acquisto originario, l'assistenza e il supporto per la calibrazione, l'idoneità all'infrastruttura di test esistente; l'idoneità del nuovo analizzatore ad agire come sostituto plug-in dell'attrezzatura precedente.

Il catalogo di analizzatori di spettro di Rohde & Schwarz offre soluzioni sia per le misure generiche che per la verifica di standard industriali specifici. Comprende:

• Analizzatori di spettro più semplici, come il modello R&S®FPC1500, con una gamma di frequenza che parte da 5 kHz e arriva a 1 GHz, estendibile fino a 3 GHz, adatto a rispettare i budget ridotti disponibili nelle istituzioni didattiche e in alcuni settori professionali, ma garantendo tante possibilità di potenziamento dello strumento.
• Analizzatori di spettro portatili a batteria utilizzabili in tutti i tipi di attività sul campo per frequenze fino a 31 GHz, come il modello R&S®FPH.
• Strumenti da banco di uso generale, come i modelli R&S®FSV3000 o R&S®FPL1000. Garantiscono eccellenti prestazioni RF e numerose opzioni di analisi del segnale, tra cui 5G NR, e offrono un'interfaccia utente molto ricca e le funzionalità di controllo automatico.
• Strumenti compatti senza interfaccia utente integrata per applicazioni in produzione, di sistema e di monitoraggio, come l'analizzatore di spettro e segnali R&S®FPS. Misure ultraveloci, prestazioni eccellenti, dimensioni, peso e consumo elettrico minimi.
• Strumenti ad alte prestazioni, come il modello R&S®FSW. Questa categoria di strumenti offre prestazioni RF impareggiabili, una frequenza massima di 90 GHz unica nel suo genere e una larghezza di banda di analisi di 8,3 GHz.